18세기 중반 석탄을 이용한 산업혁명과 19세기 원유의 발견으로 인해 인류는 값싼 연료 및 화학소재를 대량 생산하는 기술을 개발하여 비약적인 발전을 해 왔다. 우리나라도 1970년대 중화학공업 발전 전략으로 세계 5위권의 석유화학제품 국가이며 세계 8위권의 정유산업을 보유하고 있고, 석탄화력발전으로 세계 8위권의 석탄수입국가로 성장하였다. 20세기 전 세계적으로 원유와 석탄 등 화석연료 활용으로 비약적인 경제발전을 이루어 왔으나 이에 따른 반대급부로 대기중의 CO2농도가 나날이 증가하여 420 ppm에 다다르고 있어, 지구온난화, 생태계 파괴, 해수면 상승, 바닷물의 산성화 등 인류의 생존을 위협하는 단계에 이르렀다.

성균관대 김재훈 교수 연구팀에서는 산업에서 배출되는 이산화탄소를 재생 가능한 수소와 반응 시켜 연료와 화학소재를 선택적으로 생산할 수 있는 기술을 개발하였다. 이를 통해 기후변화에 대응해 기여할 수 있을 것으로 기대된다.

연구팀은 알루미나 프로모터가 활용된 철계 촉매 (Na-FeAlOx)를 이용하여 CO2로부터 77.0%의 높은 선택도로 가솔린 및 디젤의 연료로 활용할 수 있는 C5+의 장쇄 탄화수소를 합성하는 기술을 개발하여 2020년 국제 저명 학술지인 ACS Catalysis에 게재되었다 [ACS Catalysis, 2020, 10, 10325−10338]. 이번 연구를 통해 연구팀은 철계 촉매에서 방향족 화합물의 전구체인 알파 올레핀의 합성 메커니즘의 원리를 규명했다.
 

[Na-FeAlOx 촉매에서 CO2의 반응 메커니즘]

연구팀은 철계 촉매와 제올라이트를 복합한 복합촉매를 활용하여 45%의 높은 CO2 전환율 및 39%의 높은 방향족 선택도로 이산화탄소로부터 방향족 화합물 생산이 가능한 것을 확인하여 그 결과를 국제 저명 학술지인 Applied Catalysis B: Environmental에 게재하였다 [Applied Catalysis B: Environmental, 2022, 301, 120813]. 특히 제올라이트의 산점 조절로 방향족 화합물 중 BTX의 선택도가 59%로 높았다. 고부가 방향족 화합물은 벤젠, 톨루엔, 자일렌 등을 말한다. 이들은 전체 석유화학 제품 생산량 중 1위에 해당하는 매우 중요한 플랫폼 화학소재이다.
 

[Na-FeAlOx/zeolite 복합 촉매에서 CO2로부터 직접 방향족 화합물 합성]

또한 연구팀은 세계 최초로 코발트계 촉매를 이용하여 CO2로부터 C5+의 장쇄 탄화수소를 약 20%의 높은 수율로 1425 시간 이상 운전이 가능한 공정을 개발하여 그 결과를 2022년 Applied Catalysis B: Environmental에 게재하였다 [Applied Catalysis B: Environmental, 2022, 305, 121041].  연구팀이 새롭게 개발한 코발트계 촉매는 CO2 전환에 있어 촉매는 높은 C5+ 및 C21+ 선택성을 나타내므로 유망한 액체 연료 및 윤활기유를 생산할 수 있는 초석을 마련하였다. 이 이외에도 연구팀은 CO2의 직접 수소화로 고부가 화학소재인 아세트산 및 프로피온산을 합성할 수 있는 니켈-아연 합급촉매를 설계하여 그 결과를 2021년 ACS Catalysis에 게재하였다 [ACS Catalysis, 2021, 11, 8382–8398].
 

[Na-CoMnOx 촉매를 이용하여 CO2로부터 직접 장쇄 탄화수소 합성 메커니즘]

현재 김재훈 교수 연구팀은 국내 정유사와 협업을 통해 상용화 가능성을 연구하고 있어 향후 국가 온실가스 저감에 기여하고자 한다.